贾建宇等：正交磁场对电火花单脉冲放电中电蚀凹坑的影响规律 ·613· increase in magnetic induction intensity and discharge energy,the offset of the discharge point increases. KEY WORDS electrical discharge machining EDM);single-pulse discharge;discharge crater;orthogonal magnetic field;crater morphology 电火花加工效率的研究是众多学者长期以来所 开路电压、电容、磁感应强度及电极外伸长度为输入 关注的问题，尤其电火花加工普遍应用于航天航空、 因素，采用JMPI0部分析因设计方法进行试验设 船舶制造等领域的特殊金属材料工件或特殊结构工 计.JMPI0是由SAS公司研发的用于实现数据统计 件的加工，其加工效率和加工精度的问题尤为突出. 分析的系列软件，其中包含试验设计单元和数据分 许多研究结果表明磁场辅助电火花加工(MF- 析单元.析因设计是一种多因素的交叉分组设计， EDM)可以有效提高加工效率：Manesh和Narayanan 区别于全析因设计（即全因子试验设计），部分析因 进行了MF-EDM中材料去除率(MRR)的有限元仿 设计为提高试验效率，软件选取全析因设计中的有 真分析，仿真结果表明磁场的引入有助于熔池中熔 效参数组合，生成部分析因设计数据表，其中输入因 化材料的喷出)：MF-EDM在加工铁磁性材料时， 素如表1所示. 磁场可提高电蚀颗粒的排出速度以改善放电状态， 表1试验因素及水平 提高了加工速度[2-]：在加工非铁磁性材料钛合金 Table 1 Experimental factors and levels 时，试验研究表明放电点熔池体积增大50%，提高 开路电压 电容，C/ 磁感应强度，电极外伸长度， 了材料去除率：磁场辅助电火花加工小孔时，磁 U/V μF B/T L/mm 场及高转速电极不仅对排屑效果有所改善，而且放 80 100 0 20 电间隙中的蚀除微粒的螺旋上升运动可有效提高小 100 220 0.1 35 孔的表面粗糙度6：外加磁场辅助电火花加工工具钢 120 330 0.2 50 大深径比小孔时，相同加工时间内，磁场辅助加工深度 140 470 0.3 高出普通加工26%，直径284um深度达1177m]. 试验装置简图如图1所示，工具电极与工件之 电火花加工表面由无数电蚀凹坑叠加而成，对 间距离调整基于锐捷铣数控铣床实现，该机床Z轴 比研究MF-EDM与常规电火花放电加工(EDM)的 进给分辨率为1m.单脉冲放电采用RC电路，原 电蚀凹坑可以反映两种加工方式加工机理的差异. 理如图2所示. Govindan等研究了环状布局磁场对单脉冲放电的影 响[8】，试验结果表明，在有磁场环境下，气中和液中 主轴 放电凹坑深度增加，凹坑直径减小.Joshi等在电火 夹持头☐ 花气中放电的基础上布置正交脉动磁场，试验证明 绝缘套 磁场使材料去除率提高了1.3倍，通过扫描电镜照 脉冲电 夹具 片发现表面粗糙度有明显改善[].王燕青通过对正 微细电极 万用表 交磁场辅助电火花加工电蚀凹坑的仿真模拟，得出 工件 花岗岩工作台 电蚀凹坑的几何尺寸，结合蚀除率建模及分层去除 理论，建立了垂直磁场辅助的电火花加工材料蚀除 率模型和表面粗糙度模型1] 图1试验装置简图 之前的研究重点大多集中于磁场对电火花加工 Fig.1 Diagram of experimental set-up 效率和加工表面质量的改善.本研究中，为了探索 电阻 工具电极 示波器 电蚀凹坑特征尺寸与加工参数之间的变化规律，进 行了正交磁场辅助电火花单脉冲放电和无磁场电火 电容 花单脉冲放电对比试验，并且理论分析了加工参数 直流电源 万用表 对电蚀凹坑的影响机理. 工件 1试验方案 图2单脉冲放电电路原理图 试验以电蚀凹坑的长度、宽度及深度为响应，以 Fig.2 Schematic representation of RC-type discharge circuit贾建宇等: 正交磁场对电火花单脉冲放电中电蚀凹坑的影响规律 increase in magnetic induction intensity and discharge energy, the offset of the discharge point increases. KEY WORDS electrical discharge machining (EDM); single鄄pulse discharge; discharge crater; orthogonal magnetic field; crater morphology 电火花加工效率的研究是众多学者长期以来所 关注的问题,尤其电火花加工普遍应用于航天航空、 船舶制造等领域的特殊金属材料工件或特殊结构工 件的加工,其加工效率和加工精度的问题尤为突出. 许多研究结果表明磁场辅助电火花加工(MF鄄鄄 EDM)可以有效提高加工效率:Manesh 和 Narayanan 进行了 MF鄄鄄EDM 中材料去除率(MRR)的有限元仿 真分析,仿真结果表明磁场的引入有助于熔池中熔 化材料的喷出[1] ;MF鄄鄄 EDM 在加工铁磁性材料时, 磁场可提高电蚀颗粒的排出速度以改善放电状态, 提高了加工速度[2鄄鄄4] ;在加工非铁磁性材料钛合金 时,试验研究表明放电点熔池体积增大 50% ,提高 了材料去除率[5] ;磁场辅助电火花加工小孔时,磁 场及高转速电极不仅对排屑效果有所改善,而且放 电间隙中的蚀除微粒的螺旋上升运动可有效提高小 孔的表面粗糙度[6] ;外加磁场辅助电火花加工工具钢 大深径比小孔时,相同加工时间内,磁场辅助加工深度 高出普通加工26%,直径284 滋m 深度达1177 滋m [7] . 电火花加工表面由无数电蚀凹坑叠加而成,对 比研究 MF鄄鄄EDM 与常规电火花放电加工(EDM)的 电蚀凹坑可以反映两种加工方式加工机理的差异. Govindan 等研究了环状布局磁场对单脉冲放电的影 响[8] ,试验结果表明,在有磁场环境下,气中和液中 放电凹坑深度增加,凹坑直径减小. Joshi 等在电火 花气中放电的基础上布置正交脉动磁场,试验证明 磁场使材料去除率提高了 1郾 3 倍,通过扫描电镜照 片发现表面粗糙度有明显改善[9] . 王燕青通过对正 交磁场辅助电火花加工电蚀凹坑的仿真模拟,得出 电蚀凹坑的几何尺寸,结合蚀除率建模及分层去除 理论,建立了垂直磁场辅助的电火花加工材料蚀除 率模型和表面粗糙度模型[10] . 之前的研究重点大多集中于磁场对电火花加工 效率和加工表面质量的改善. 本研究中,为了探索 电蚀凹坑特征尺寸与加工参数之间的变化规律,进 行了正交磁场辅助电火花单脉冲放电和无磁场电火 花单脉冲放电对比试验,并且理论分析了加工参数 对电蚀凹坑的影响机理. 1 试验方案 试验以电蚀凹坑的长度、宽度及深度为响应,以 开路电压、电容、磁感应强度及电极外伸长度为输入 因素,采用 JMP10 部分析因设计方法进行试验设 计. JMP10 是由 SAS 公司研发的用于实现数据统计 分析的系列软件,其中包含试验设计单元和数据分 析单元. 析因设计是一种多因素的交叉分组设计, 区别于全析因设计(即全因子试验设计),部分析因 设计为提高试验效率,软件选取全析因设计中的有 效参数组合,生成部分析因设计数据表,其中输入因 素如表 1 所示. 表 1 试验因素及水平 Table 1 Experimental factors and levels 开路电压, U/ V 电容,C / 滋F 磁感应强度, B/ T 电极外伸长度, L / mm 80 100 0 20 100 220 0郾 1 35 120 330 0郾 2 50 140 470 0郾 3 — 试验装置简图如图 1 所示,工具电极与工件之 间距离调整基于锐捷铣数控铣床实现,该机床 Z 轴 进给分辨率为 1 滋m. 单脉冲放电采用 RC 电路,原 理如图 2 所示. 图 1 试验装置简图 Fig. 1 Diagram of experimental set鄄up 图 2 单脉冲放电电路原理图 Fig. 2 Schematic representation of RC鄄type discharge circuit ·613·